§ 7.5. Смачивание и несмачивание

Определения и обозначения

Смачивание — явление, при котором жидкость растекается по поверхности твёрдого тела. Так происходит, когда притяжение молекул жидкости к молекулам тела достаточно велико. По смачиванию можно судить о характере взаимодействия конкретной жидкости с конкретной поверхностью.

Несмачивание — явление, при котором жидкость стремится сократить площадь соприкосновения с твёрдым телом и собирается в каплю. В этом случае молекулы жидкости сильнее удерживаются друг около друга, чем притягиваются к поверхности. Форма капли помогает отличить несмачивание от растекания.

Краевой угол — угол между поверхностью твёрдого тела и касательной к поверхности жидкости в точке их соприкосновения. Его отсчитывают внутри жидкости. Острый угол соответствует смачиванию, а тупой — несмачиванию.

Поверхностное натяжение — свойство поверхности жидкости стремиться к уменьшению своей площади. Поэтому свободная капля принимает близкую к шарообразной форму, если этому не мешают другие силы. У твёрдой поверхности поверхностное натяжение вместе с молекулярным притяжением задаёт форму капли и краевой угол.

Как это устроено

Молекула внутри жидкости притягивается со всех сторон, поэтому равнодействующая сил для неё близка к нулю. У поверхности часть соседей заменяется молекулами твёрдого тела, и возникает дополнительное взаимодействие с ним. Если притяжение к твёрдому телу сильнее взаимного притяжения молекул жидкости, жидкость стремится занять большую площадь поверхности и смачивает её.

При смачивании растекание уменьшает энергию взаимодействия жидкости с телом: больше молекул жидкости оказывается рядом с поверхностью. Поверхностное натяжение при этом не исчезает, но его стремление сократить поверхность уступает влиянию твёрдого тела. При несмачивании выгоднее сохранить тесную связь молекул жидкости друг с другом, поэтому контакт с телом ограничивается.

Форма жидкости у стенки описывается краевым углом θ. При смачивании поверхность около стенки изгибается так, что θ < 90°, а при несмачивании угол тупой: θ > 90°. Предельный случай полного смачивания имеет θ = 0°, когда жидкость стремится растечься тонким слоем; при полном несмачивании θ = 180°.

Вдоль линии контакта действуют силы поверхностного натяжения. Их направление определяется касательной к поверхности жидкости, поэтому вертикальная и горизонтальная составляющие зависят от краевого угла. Равновесие устанавливается тогда, когда эти силы уравновешивают взаимодействие жидкости с твёрдым телом и другие действующие силы; так и формируется определённый угол θ.

В узкой трубке поверхность жидкости у стенок искривляется, образуя мениск. При смачивании мениск вогнутый, а сила поверхностного натяжения имеет составляющую вверх, поэтому жидкость поднимается по капилляру. При несмачивании мениск выпуклый, вертикальная составляющая направлена вниз, и уровень жидкости у стенок опускается.

Смачивание и несмачивание твёрдой поверхности

Сначала определите форму капли или мениска, затем оцените краевой угол. После этого можно предсказать, поднимется жидкость в капилляре или опустится у его стенок.

Примеры в таблице относятся к определённым условиям, прежде всего к чистой поверхности. Загрязнение, жир или специальное покрытие способны изменить характер смачивания.

Разбор задач

Задача 1

На чистом стекле капля воды растекается, а капля ртути сохраняет округлую форму. Нужно определить, какая жидкость смачивает стекло, и сравнить краевые углы. Форма капли позволяет сделать вывод без численного расчёта.

1. Вода растекается по стеклу, значит, притяжение воды к стеклу достаточно велико: вода смачивает стекло.
2. Ртуть сохраняет округлую форму и имеет небольшую площадь контакта, поэтому стекло она не смачивает.
3. При смачивании краевой угол острый, а при несмачивании — тупой.

Ответ: стекло смачивается водой, но не смачивается ртутью; краевой угол воды меньше 90°, а краевой угол ртути больше 90°.

Задача 2

В узкой стеклянной трубке вода поднимается выше уровня в сосуде. Нужно объяснить наблюдение и определить, что произойдёт с ртутью в такой трубке. Рассуждение основано на смачивании стенок и форме мениска.

1. Вода смачивает стекло, поэтому у стенок образуется вогнутый мениск.
2. Силы поверхностного натяжения имеют направленную вверх составляющую, поднимающую воду в трубке.
3. Ртуть стекло не смачивает и образует выпуклый мениск, поэтому её уровень у стенок опустится ниже уровня в сосуде.

Ответ: вода поднимается из-за смачивания и поверхностного натяжения; ртуть в стеклянном капилляре опустится у стенок.

Задача 3

Дано: r = 0,50 мм, σ = 0,072 Н/м, ρ = 1000 кг/м³, θ = 0°, g = 9,8 м/с². Требуется найти высоту подъёма жидкости. Используем формулу h = 2σ cos θ/(ρgr).

1. Переведём радиус в СИ: r = 0,50 мм = 0,00050 м.
2. При θ = 0° имеем cos θ = 1, поэтому h = 2 · 0,072/(1000 · 9,8 · 0,00050).
3. Вычисляем: h = 0,144/4,9 ≈ 0,0294 м = 2,94 см.

Ответ: жидкость поднимется примерно на 2,9 см.

Типичные ошибки

Считать, что смачивание определяется только поверхностным натяжением. Поверхностное натяжение влияет на форму поверхности, но характер явления задаёт соотношение притяжения жидкости к телу и молекул жидкости друг к другу. Проверьте, сравнили ли вы оба взаимодействия.

Отсчитывать краевой угол снаружи жидкости. Из-за этого острый угол можно ошибочно принять за несмачивание. Проверьте себя: угол всегда находится внутри объёма жидкости.

Утверждать, что любая жидкость смачивает любое тело. Смачивание зависит от пары веществ и чистоты поверхности, поэтому вода и стекло не дают того же результата, что вода и жир. Уточняйте, о каких именно веществах идёт речь.

Принимать cos θ = 1 при любом угле. Такое упрощение допустимо только при полном смачивании, когда θ = 0°. В остальных задачах сначала найдите или используйте заданное значение cos θ.

Связь с другими темами

Для понимания смачивания нужны знания о молекулярном взаимодействии, силах притяжения и поверхностном натяжении. Эти явления объясняют капиллярный подъём воды в почве и тканях растений, а также движение жидкостей в тонких каналах. Свойства смачивания учитывают при выборе жидкостей для очистки, окраски и обработки поверхностей.

Что запомнить

• Смачивание и несмачивание зависят от взаимодействия жидкости с твёрдым телом и между молекулами жидкости.
• При смачивании краевой угол острый, при несмачивании — тупой.
• Краевой угол отсчитывают внутри жидкости.
• При полном смачивании краевой угол равен нулю.
• Смачивающая жидкость поднимается у стенок узкого капилляра.
• Несмачивающая жидкость опускается у стенок капилляра.